一种低层居住建筑空间及其节能优化方法

1.本发明属于建筑节能技术领域，具体涉及一种低层居住建筑空间及其节能优化方法。


背景技术：

2.目前，在太阳能最富集地区，为了节约能源，对被动式太阳能建筑的研究利用，是实现地区建筑绿色可持续发展的必要途径。
3.近年来国内关于太阳能富集区，多集中在对围护结构热工性能参数的建立、修正优化研究及建筑维护结构节能构造措施方面，对被动式太阳能居住建筑空间优化和空间构件节能方面的研究成果多以直接受益式和附加阳光间式这些特定构件为对象进行研究，而对居住建筑空间布局进行节能优化方向的研究有涉猎但内容和数量仍然较少，“而将建筑空间设计与太阳能结合起来的被动式节能策略，在极大程度上解决了太阳能丰富地区的采暖需求，并且具有很大的节能潜力”。
4.城镇低层居住建筑被动式空间利用现状：
5.传统民居建筑总体规模在150～200
㎡
左右，主体建筑层数以两层为主，其应对气候的被动节能措施依据当地民居建设经验，取得了一定的节能效果，但在实际使用中采暖节能效率不佳，室内热环境舒适度提也有待提高。
6.1.建筑空间设计特点及被动式利用策略
7.建筑总体布局基本为分散式院落布局，为最大限度利用太阳能减少热量损失，主体建筑和房间进深较浅，一般以单元式联排和多户拼接形式为主。由主要生活起居用房组成的主体建筑布置在北边，厨房、厕所、库房等辅助用房布置在入口部位，分开布置并围合成院落，形成封闭的室外空间，功能使用符合藏族居民的生活习惯。主体建筑一般采用东西向面宽较大的体型，以增大对南向太阳能采暖的利用。
8.近年来，居民对其住宅自主改造加建阳光间进行采暖数量不断增加，居民自主加盖阳光间有两种形式：一是在主体建筑南侧正面增加附加阳光间；二是覆盖室外庭院和屋顶的附加阳光间，取得了良好的热能效果。
9.2.存在以下问题和设计盲点
10.1)为适应当地居民习惯，厨房、卫生间等辅助功能房间与主要生活起居使用的主体建筑分开布置，造成总体布局比较分散；居民习惯在二层楼上设计较大的晒台，造成建筑外墙面积增加，体型系数变大，上述问题造成建筑整体节能效果受到一定影响，房间温度不均衡，北向房间温度偏低；室内北向空间开窗较小甚至不开窗，不利于室内采光通风。
11.2)住宅附加阳光间多为用户自行改造加建，这种改造或加建比较简单、实用，随季节、时间的变化室内温差波动大，尤其是夏天白天温度过高造成室内舒适度比较差，不同部位的房间室内温度不均衡，室内空间空气通风比较差。附加阳光间的使用因空间布局不合理和舒适性不佳并没有得到有效的扩展，普遍存在使用不便和使用效率不高。
12.3)居民自主改造附加阳光间并没有进行一体化的设计，外观缺少尺度比例和建筑
风貌的推敲，整体形象表现力差，破坏了小区的建筑风貌。材料性能、施工质量不合格，结构构造缺乏整体性能加固和可靠连接措施，加工粗糙，并存在一定的安全隐患。
13.因此，如何解决当地民居总体布局分散、房间温度不均衡和采光通风较差是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

14.有鉴于此，本发明提供了一种低层居住建筑空间及其节能优化方法，以解决现有技术存在的问题。
15.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
16.一方面，提供一种低层居住建筑空间，包括住宅区和庭院，所述住宅区设置有附加阳光间、辅助用房、起居空间和蓄热墙，所述辅助用房与所述起居空间设置在所述附加阳光间的周围，所述附加阳光间内的墙壁由所述蓄热墙组成；所述蓄热墙将吸收热能向相邻房间辐射；在所述住宅区的南侧设置所述庭院。
17.可选的，所述辅助用房设置在附加阳光间北侧，直接南向天然采光，所述起居空间设置在南侧。
18.可选的，所述起居空间包括客厅、卧室；所述辅助用房包括厨房、卫生间、经堂、楼梯间。
19.可选的，在所述卧室，利用南侧墙面、南侧阳台或在所述客厅中利用南侧入口门斗空间设计成附加阳光间。
20.可选的，通过所述附加阳光间，将位于北侧的辅助用房中的卫生间、厨房和经堂与位于南侧起居空间中的客厅、卧室房间连通。
21.另一方面，一种低层居住筑空间节能优化方法，包括以下步骤：
22.步骤1、采用集中空间布局、紧凑形体对低层居住建筑空间进行初步优化；
23.步骤2、通过植入“中庭式阳光间”对低层居住建筑空间进行进一步优化；
24.步骤3、在步骤2的基础上，通过被动式太阳能空间组合设计，利用建筑南向透光窗直接采暖，得到优化后的低层居住建筑空间。
25.可选的，步骤1中所述的集中空间布局、紧凑形体具体为：在总体布局中，将因生活习惯而分散布局的辅助用房和主体建筑整合，厨房与经堂东侧相邻，布置在一层，与辅助用房一同布置在北侧，起居空间与辅助用房通过走廊与附加阳光间相连，朝南采光，主体建筑靠北集中布置，将生活院落空间在主体建筑的南侧，二层留出南面空旷的晒台空间。
26.可选的，步骤2中植入“中庭式阳光间”进行优化具体包括：
27.步骤2.1、围绕“中庭式阳光间”组织室内空间，将室内空间组织系统统筹设计，使得太阳辐射直接进入建筑内部，而北侧的辅助用房也增加了直接接受太阳能辐射的空间；白天通过加热“中庭阳光间”空气辐射周边房间，包括一层南侧卧室、二层北侧卧室与附加阳光间西侧走廊、公共空间，同时加热蓄热墙进行蓄热，夜间蓄热墙体向房间辐射热能；
28.步骤2.2、利用“中庭式阳光间”自然采光通风，通过位于主体建筑中间的中庭组织设计室内采光，紧贴附加阳光间北侧的辅助用房均直接南向天然采光。
29.可选的，所述步骤3具体为：
30.通过被动式太阳能空间组合设计，利用建筑南向透光窗直接采暖，加大开窗面积，
并控制窗墙比，在卧室中，利用南侧墙面、南侧阳台或在客厅中利用南侧入口门斗空间设计成附加阳光间，冬季利用附加阳光间集热蓄热。
31.经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种低层居住建筑空间及其节能优化方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
32.1.对低层居住建筑空间进行优化，将建筑功能空间使用和太阳热能利用有机结合，在相同建筑规模下，大幅提升供暖得热率；
33.2.在低层居住建筑中植入“中庭式阳光间”，打破了低层民居建筑原有空间设计模式，通过综合设计运筹能力，科学组织空间关系，提升建筑室内空间品质和建筑空间的高效使用。提高冬季室内房间的温度、热稳定性，平衡不同房间的热均匀度，改善室内空间的热舒适性；
34.3.围绕“中庭式阳光间”，通过空间设计改善人与自然的关系，使所有室内空间都有良好的自然采光，并利用热效应实现自然通风，解决了建筑自然通风采光条件下的使用舒适性问题。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
36.图1a为本发明方法优化完成后一层的平面图；
37.图1b为本发明方法优化完成后二层的平面图；
38.图2为本发明方法优化完成后的模型效果图；
39.图3为本发明对比模型(左)与优化模型(右)的对比效果图；
40.图4a为本发明起居房间的室内温度曲线；
41.图4b为本发明辅助用房室内温度曲线。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.本发明实施例一方面公开了一种低层居住建筑空间，包括住宅区和庭院，住宅区设置有附加阳光间、辅助用房、起居空间和蓄热墙，辅助用房与起居空间设置在附加阳光间的周围，附加阳光间内的墙壁由蓄热墙组成；蓄热墙将吸收热能向相邻房间辐射；在住宅区的南侧设置庭院。
44.在一个具体的实施例中，辅助用房设置在附加阳光间北侧，直接南向天然采光，所述起居空间设置在南侧。
45.在一个具体的实施例中，起居空间包括客厅、卧室；所述辅助用房包括厨房、卫生间、经堂、楼梯间。
46.在一个具体的实施例中，在卧室，利用南侧墙面、南侧阳台或在客厅中利用南侧入口门斗空间设计成附加阳光间。
47.在一个具体的实施例中，通过附加阳光间，将位于北侧的辅助用房中的卫生间、厨房和经堂与位于南侧起居空间中的客厅、卧室房间连通。
48.另一方面，提供一种低层居住筑空间节能优化方法，包括以下步骤：
49.步骤1、采用集中空间布局、紧凑形体对低层居住建筑空间进行初步优化；
50.步骤2、通过植入“中庭式阳光间”对低层居住建筑空间进行进一步优化；
51.步骤3、在步骤2的基础上，通过被动式太阳能空间组合设计，利用建筑南向透光窗直接采暖，得到优化后的低层居住建筑空间，优化完成后一层的平面图如图1a所示，优化完成后二层的平面图如图1b所示，优化完成后的模型效果图如图2所示。
52.在一个具体的实施例中，步骤1中的集中空间布局、紧凑形体具体为：
53.在总体布局中，将因生活习惯而分散布局的室外厨房、卫生间等辅助房间和主体建筑整合，厨房与经堂(东侧)相邻，布置在一层，与卫生间、楼梯间(西侧)等辅助用房一同布置在北侧，客厅、卧室等主要起居空间与辅助用房通过走廊与附加阳光间相连，朝南采光，主体建筑靠北集中布置，将生活院落空间在主体建筑的南侧，二层留出南面空旷的晒台空间，日照充足。主体建筑进行优化整合，采取紧凑的矩形平面，采用平屋顶并设置适宜面积的屋顶晒台，合理层高的手法以减少体型系数，并适度优化加大了建筑进深，最大限度的减少热量散失。
54.在一个具体的实施例中，步骤2中植入“中庭式阳光间”进行优化具体包括：
55.以庭院为核心，围绕庭院布置一系列内向的建筑空间，是中国民居的精神内涵，也是藏族地区民居建筑的优秀传统，体现了藏族老百姓的生活方式。提取传统民居的建筑形式语言，在居住建筑中植入一个微型庭院空间，将其和太阳能利用相结合，转译成“中庭式阳光间”，以适应西藏地区干旱高冷的气候。“中庭式阳光间”可适应不同季节气候变化，并实现不同季节的空间功能转换。通过“中庭式阳光间”进行空间节能优化设计，主要内容包括：
56.步骤1、围绕“中庭式阳光间”组织室内空间。
57.居住建筑内部空间组织除满足现代住宅设计理念的动静分区、干湿分区和照顾少数民族生活习惯外。对无辅助热源被动式太阳能采暖系统来说，最重要也是最常用的策略是冷暖不同空间的分离：将客厅、卧室等主要起居空间(热空间)放在日照充足的南侧；将厨房、卫生间、经堂、楼梯间等辅助空间(冷空间)，不需要持续采暖的布置在北侧。实行不同空间的冷暖分区，并利用北侧的辅助空间缓冲冬季室外的低温，形成能耗缓冲区。
58.利用“中庭式阳光间”组织室内空间，将室内空间组织系统统筹设计，使得太阳辐射直接进入建筑内部，而北侧的厨房、经堂、卫生间、楼梯间等辅助用房这些所谓的冷空间也可直接受益采暖，使直接接受太阳能辐射的空间更多。白天通过加热“中庭阳光间”空气辐射周边房间，包括一层南侧卧室、二层北侧卧室与附加阳光间西侧走廊、公共空间，同时加热蓄热墙进行蓄热，夜间蓄热墙体向相临房间辐射热能，改变太阳能利用随时间变化的热稳定性差的情况。在主体建筑中，通过中间的“中庭式阳光间”，将位于北侧的卫生间、厨房和经堂等附属用房和南侧的客餐厅、卧室等主要使用空间房间连通，同时联系水平与垂直空间，增加室内热能的流通，弥补大进深空间北区的热能，提升主体建筑利用太阳能的热
贡献平均值和稳定性。
59.步骤2、利用“中庭式阳光间”自然采光通风。
[0060]“中庭式阳光间”是建筑室内的自然“光井”和“风井”。通过位于主体建筑中间的中庭组织设计室内采光，紧贴附加阳光间北侧的厨房、经堂等辅助用房均可直接南向天然采光；也可利用热空气上行的原理起到通风效果，改善室内环境，尤其是夏季过热时可调节附加阳光间开窗面积通风降温。通过利用“中庭式阳光间”自然采光通风，综合解决了地区低层居住建筑采暖、采光、通风的室内环境问题，构建自然绿色、环保健康的室内建筑环境，显著提高室内空间舒适度
[0061]
在一个具体的实施例中，步骤3具体为：通过被动式太阳能空间组合设计，利用建筑南向透光窗直接采暖，是直接受益式被动采暖方式，直接受益式采暖方法是当地最为普遍的节能生态经验。优化设计中主要起居空间尽量利用南向窗户直接采暖，加大开窗面积，并控制一定的窗墙比。在卧室中，利用南侧墙面、南侧阳台或在客厅中利用南侧入口门斗空间设计成附加阳光间，冬季充分利用附加阳光间集热蓄热，提高主要起居空间舒适度，夜间也成为阻挡热量损失的缓冲空间。
[0062]
在一个具体的实施例中，还包括建立优化方案建筑模型，设置参数。
[0063]
本实施例采用在相同建筑规模，相同围护结构热工参数下，对原始对比方案、植入中庭优化方案，进行被动式空间设计和建筑热工措施共同作用下的建筑能耗、室内温度变化进行模拟比较分析。
[0064]
采用能耗模拟软件energyplus，对优化前后的两栋建筑采暖期(11月1号-3月12号)能耗以及典型日(1月21号)室内温度进行计算对比，选用的逐时气象数据为中国标准气象数据cswd，不同模型的基本参数中保证建筑面积、层高和朝向三个因素相同，体形系数与南向窗墙比不同，同时不同模型的围护结构热工参数相同。
[0065]
本发明对比模型(左)与优化模型(右)的对比效果图如图3所示；模型基本参数如表1；围护结构热工参数如表2，换气次数取0.5h-1h，未标明部分按软件默认值设定。
[0066]
表1优化模型基本参数表
[0067][0068]
表2典型建筑围护结构性能
[0069][0070]
对不同模型采暖期的能耗计算和室内温度进行对比论证分析。
[0071]
首先计算出不同模型采暖期的模拟结果，包括建筑耗热量指标和室内温度，将对比模型与优化模型的结果进行对比分析，寻其原因与变量的关系，得出优化模型较对比模型的节能率与温度提升、温度的空间均匀的结果，验证“中庭式阳光间”对低层居住建筑空间节能优化效果。
[0072]
对不同模型采暖期的能耗模拟计算，结果见表3，建筑耗热量指标结果偏低，原因其一是围护结构热工性能很好，其二是对比模型与优化模型的窗墙比均比较高，高辐射地区，较大的窗墙比使得室内温度不至于过低。表3中，工况1为仅考虑主要使用房间(客厅、卧室)室内温度达到18℃，优化建筑较对比建筑耗热量指标减少了1.667w/
㎡
节能率达48.8％。工况2为考虑全屋室内温度达18℃优化建筑较对比建筑的耗热量指标减少了2.833w/
㎡
，节能率达53.3％。
[0073]
表3对比模型与优化模型采暖期建筑耗热量对比
[0074][0075]
根据表3对比可得，工况2较工况1节能率更大，是因为优化建筑空间布局更紧凑，相对院落分散布局更有利；植入中庭式附加阳光间通过直接受益和集热蓄热的方式，将一部分热量传递到北向房间，对北向房间更有利，因此将这些辅用房间考虑进来，节能率更大。不论何种工况，优化模型的节能率高，所需辅助热量少。
[0076]
不同模型室内温度对比论证分析。
[0077]
图4a、图4b为对比模型与优化模型室内温度曲线，圆点标记表示对比模型，三角标记表示优化模型，同色表示优化前后相对应房间。对比图4a与图4b可以得出，优化前各房间温度差较大，优化后各房间室内温度均在13℃以上，各房间室内温度差异性减小。优化模型
对辅用房间室温的提升效果更好，2f北卧室低温提高4.2℃，厨房低温提高11.5℃，这是因为优化模型空间布局更紧凑，降低了体形系数，同时，中庭植入式附加阳光间作为集热蓄热部分，向四周传热，有利于尤其是北向房间热环境的改善。综上，优化模型对各房间温度提升显著，室内温度有更好的空间均匀性，有利于室内热环境的改善。
[0078]
通过对优化方案进行模拟分析，最优耗热量为2.486w/
㎡
，节能率为53.3％，室内平均温度大于13℃，其效果接近规范规定的人体的舒适度要求。证明在无辅助热源条件下利用被动式太阳能进行采暖完全可行。
[0079]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0080]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种低层居住建筑空间，包括住宅区和庭院，其特征在于，所述住宅区设置有附加阳光间、辅助用房、起居空间和蓄热墙，所述辅助用房与所述起居空间设置在所述附加阳光间的周围，所述附加阳光间内的墙壁由所述蓄热墙组成，所述蓄热墙将吸收热能向相邻房间辐射；在所述住宅区的南侧设置所述庭院。2.根据权利要求1所述的一种低层居住建筑空间，其特征在于，所述辅助用房设置在附加阳光间北侧，直接南向天然采光，所述起居空间设置在南侧。3.根据权利要求1所述的一种低层居住建筑空间，其特征在于，所述起居空间包括客厅、卧室；所述辅助用房包括厨房、卫生间、经堂、楼梯间。4.根据权利要求3所述的一种低层居住建筑空间，其特征在于，在所述卧室，利用南侧墙面、南侧阳台或在所述客厅中利用南侧入口门斗空间设计成附加阳光间。5.根据权利要求3所述的一种低层居住建筑空间，其特征在于，通过所述附加阳光间，将位于北侧的辅助用房中的卫生间、厨房和经堂与位于南侧起居空间中的客厅、卧室房间连通。6.一种低层居住筑空间节能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、采用集中空间布局、紧凑形体对低层居住建筑空间进行初步优化；步骤2、通过植入“中庭式阳光间”对低层居住建筑空间进行进一步优化；步骤3、在步骤2的基础上，通过被动式太阳能空间组合设计，利用建筑南向透光窗直接采暖，得到优化后的低层居住建筑空间。7.根据权利要求6所述的一种低层居住建筑空间节能优化方法，其特征在于，步骤1中所述的集中空间布局、紧凑形体具体为：在总体布局中，将因生活习惯而分散布局的辅助用房和主体建筑整合，厨房与经堂东侧相邻，布置在一层，与辅助用房一同布置在北侧，起居空间与辅助用房通过走廊与附加阳光间相连，朝南采光，主体建筑靠北集中布置，将生活院落空间在主体建筑的南侧，二层留出南面空旷的晒台空间。8.根据权利要求6所述的一种低层居住建筑空间节能优化方法，其特征在于，步骤2中植入“中庭式阳光间”进行优化具体包括：步骤2.1、围绕“中庭式阳光间”组织室内空间，将室内空间组织系统统筹设计，使得太阳辐射直接进入建筑内部，而北侧的辅助用房也增加了直接接受太阳能辐射的空间；白天通过加热“中庭阳光间”空气辐射周边房间，包括一层南侧卧室、二层北侧卧室与附加阳光间西侧走廊、公共空间，同时加热蓄热墙进行蓄热，夜间蓄热墙体向房间辐射热能；步骤2.2、利用“中庭式阳光间”自然采光通风，通过位于主体建筑中间的中庭组织设计室内采光，紧贴附加阳光间北侧的辅助用房均直接南向天然采光。9.根据权利要求6所述的一种低层居住建筑空间节能优化方法，其特征在于，所述步骤3具体为：通过被动式太阳能空间组合设计，利用建筑南向透光窗直接采暖，加大开窗面积，并控制窗墙比，在卧室中，利用南侧墙面、南侧阳台或在客厅中利用南侧入口门斗空间设计成附加阳光间，冬季利用附加阳光间集热蓄热。

技术总结
本发明公开了一种低层居住建筑空间及其节能优化方法，涉及建筑节能技术领域，首先，通过采用集中空间布局、紧凑形体对低层居住建筑空间进行初步优化；其次，通过植入“中庭式阳光间”对低层居住建筑空间进行进一步优化，辅助用房与起居空间设置在“中庭式阳光间”的周围；最后，通过被动式太阳能空间组合设计，利用建筑南向透光窗直接采暖，得到优化后的低层居住建筑空间，将建筑功能空间使用和太阳热能利用有机结合，在相同建筑规模下，大幅提升供暖率。大幅提升供暖率。大幅提升供暖率。


技术研发人员：姚慧 张东峰 董千 刘璐 付斐 闫敏 张琳捷 毛新宇
受保护的技术使用者：西安建筑科技大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/7/7